耳式支座處筒體的局部應力計算探討

晏彥忠

（湖南化工設計院有限公司，湖南長沙 410021）

耳式支座（以下簡稱“耳座”）作為立式容器常用的一種支撐方式，容器設計時通常選用NB/T 47065.3—2018[1]中的標準耳座，為了防止容器因設置耳座而引起強度失效，一是要求耳座承受的實際載荷小于等于耳座本體的允許載荷，NB/T 47065.3—2018附錄A 給出了耳座實際承受載荷的計算方法，二是要求耳座處筒體的局部應力在允許的范圍內，本文主要討論耳座處筒體局部應力的計算問題。

1 JB/T 4712.3—2007[2]中的計算方法

對于承受內壓的帶墊板的耳座，JB/T 4712.3—2007附錄B給出了容器本體材料許用應力為[σ] =110 MPa、130 MPa、150 MPa、170 MPa的圓筒形殼體，計算壓力為p= 0.0 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa、1.6 MPa時，在安裝耳座后，由其局部應力限定的耳座許用彎矩值[ML]，當為其他許用應力和其他有效厚度時可采用線性內插的方法確定[ML]。

JB/T 4712.3—2007標準釋義給出了由容器圓筒限定的耳座許用彎矩計算的詳細過程，在耳座處圓筒內的應力主要是由容器的內壓和耳座外彎矩引起的。

由壓力引起的一次總體薄膜應力pm按以下公式計算：

由耳座彎矩引起的局部應力按照AD 2000-Merkblatt S3/4[3]中的方法進行計算，該方法認為最大應力出現在A、B兩點的內壁或外壁，如圖1所示。

圖1 帶耳座的圓筒形容器

各應力值按下列公式計算：

由耳座彎矩引起的一次局部薄膜應力pL:

由耳座彎矩引起的一次局部彎曲應力pb:

以上符號的含義及計算詳見JB/T 4712.3—2007和AD 2000-Merkblatt S3/4。

根據應力分類的方法，對這些應力的組合按照以下原則進行限制：

(1)pm≤[σ];

(2)pL≤1.5[σ];

(3)pL+pb≤1.5[σ]。

根據上述方法，通過自動迭代計算，JB/T 4712.3—2007附錄B給出了各種型號耳座在不同的筒體有效厚度和不同壓力下的耳座允許外彎矩。

2 NB/T 47065.3—2018中的計算方法

對于承受內壓的帶墊板的耳座，NB/T 47065.3—2018附錄B給出了容器本體材料許用應力為[σ] =120 MPa、140 MPa、167 MPa、185 MPa時的圓筒形殼體，計算壓力為p= 0.0 MPa、0.6 MPa、1.0 MPa、1.6 MPa時，在安裝耳座后，由其局部應力限定的耳座許用彎矩值[ML]，當為其他許用應力和其他有效厚度時可采用線性內插的方法確定[ML]，當為其他壓力等級的工況，需由設計人員按實際的計算彎矩，對殼體強度進行核算，容器實際的計算壓力通常不是以上4種情況，這使得許用彎矩表的使用范圍就很小，但耳座標準并未給出強度校核的詳細方法。

NB/T 47065.3—2018編制說明給出了附錄B由容器圓筒限定的耳座許用外彎矩的計算方法，該方法參照AD 2000—Merkblatt，根據應力的組合和評判方法，可以確定出σ=f(ML)的函數關系，通過計算程序的迭代計算出滿足要求的ML的最大值。

3 AD 2000—Merkblatt中的計算方法

AD 2000—Merkblatt規范中耳座處筒體局部應力的計算方法主要參照WRC 107[4]（(1979版），并考慮了壓力載荷的影響，由于沿圓筒軸向橫剪力Q在A、B點不會產生剪應力，可以不考慮橫剪力Q的影響。WRC 107是美國焊接研究委員會發布的應用最廣泛的公報之一，主要用來解決外載荷通過實心附件對球殼和圓筒引起的局部應力計算問題，沒有考慮壓力載荷的影響，WRC 107第一版發布于1965年，其后分別于1968年、1970年、1972年、1979年、2002年發布了修訂版，并在其中增加了一些補充和說明，2010年WRC發布了WRC 537[5]公報，WRC 537替代了WRC 107，但WRC 537中的計算方法與WRC 107中的計算方法并無根本變化，只是對計算中所用的部分曲線作了外延或少量修正，并給出了曲線的精確方程。耳座局部應力WRC 107計算模型如圖2所示。

圖2 耳座局部應力WRC 107計算模型

4 SW6中的計算方法

過程設備強度計算軟件SW6零部件計算程序中柱殼上矩形附件局部應力計算模塊適用柱殼上矩形附件承受外載荷對殼體產生的局部應力計算，其計算依據為HG/T 20582—2020[6]第19章外載荷對圓筒引起的局部應力的計算和WRC 537公報，并考慮了壓力載荷的影響。

5 各種計算方法的比較

通過對以上各種方法的介紹可以知道，NB/T 47065.3—2018、AD 2000-Merkblatt S3/4、HG/T 20582—2020、WRC 537、SW6中的計算方法均來源于WRC 107,各種方法的計算原理是相同的。由于WRC 107的計算過程是十分復雜和麻煩的，需要查閱大量的表格和曲線來進行計算，對于無法通過NB/T 47065.3—2018附錄B確定筒體許用彎矩的情況，使用SW6就可以高效地對耳座處筒體的進行局部應力進行計算。

為了驗證使用SW6進行筒體局部應力計算的可行性，以筒體直徑1000 mm、有效厚度8 mm、B4型耳座的幾何模型為例，分別以JB/T 4712.3—2007（筒體材料許用應力130 MPa）、NB/T 47065.3—2018（筒體材料許用應力120 MPa）附錄B表中給定的計算壓力和耳座彎矩數據輸入SW6中進行局部應力計算，得到的應力計算結果如表1和表2所示。其中SW6中矩形附件截面邊長C1、C2分別輸入耳座墊板的高度315 mm、寬度250 mm。JB/T 4712.3—2007、NB/T 47065.3—2018中的應力計算結果可以根據標準計算方法反算出為材料許用應力的1.5倍，分別為195 MPa、180 MPa。

表1 SW6與JB/T 4712.3—2007應力計算結果對比/MPa

表2 SW6與NB/T 47065.3—2018應力計算結果對比/MPa

6 結論

1）新版耳座標準NB/T 47065.3—2018與老版耳座標準JB/T 4712.3—2007相比，附錄表中給出的許用彎矩有所增大。

2）SW6應力計算結果與JB/T 4712.3—2007相比偏差較小、與NB/T 47065.3—2018相比偏差較大，且計算結果均大于耳座標準中的結果，計算結果比耳座標準偏保守。

3）當容器設計參數超出NB/T 47065.3—2018附錄B的范圍時，可以使用SW6來計算耳座處筒體的局部應力，計算時首先通過SW6立式容器計算程序中的耳座計算程序得到耳座計算彎矩，然后通過零部件計算程序中的柱殼上矩形附件局部應力計算程序計算筒體局部應力，其中矩形附件截面邊長C1、C2分別輸入耳座墊板的高度和寬度，繞Y軸彎矩輸入耳座計算程序得到的耳座計算彎矩。

4）WRC 107只給出了局部應力計算方法，并未給出應力限制條件，使用時應根據應力產生的原因及性質加以分類并進行限制，JB/T 4712.3—2007、NB/T 47065.3—2018認為耳座彎矩產生的應力為局部薄膜應力和一次彎曲應力，要求局部薄膜應力加一次彎曲應力限制在1.5倍材料許用應力范圍內，而SW6中將最大表面應力限制在3倍材料許用應力范圍內，使用時應特別注意。